Nature Communications dergisinde yayınlanan yeni bir süper iletken kubit çalışmasının sonuçları,
süper iletken kübitler
Geleneksel hesaplama modelleri,klasik mekaniğin yasalarına karşılık gelen fiziksel çözümler. Örneğin, çoğu modern işlemci bu şekilde çalışır. Kuantum hesaplama, bilgileri iletmek ve işlemek için atomlar ve atom altı parçacıklar ölçeğinde meydana gelen olayları kullanır.
Kuantum hesaplamanın çeşitli modelleri vardır,ancak en popüler olanları, kübitlerin ve kuantum kapılarının kullanımını içerir. Bir kübitin, birinde veya her ikisinin süperpozisyonunda olabilen iki olası duruma sahip bir sistem olduğunu hatırlayın. Bir kuantum kapısı, temel bir mantıksal işlemi gerçekleştiren bir dijital devrenin temel bir öğesidir. Belirli bir yasayı uyguladıktan sonra başlangıç değerlerini dikkate alarak kübitlerin durumunun nasıl değişeceğini açıklar.
Kuantum etkileri yalnızcaÇok küçük ölçeklerde, kübitler ve kapılar oluşturmak son derece zor bir iştir. Yararlı kuantum bilgisayarları oluşturmaya yönelik birçok yaklaşım arasında, süper iletken kübitler en popüler olanıdır. Bunları oluşturmak için mühendisler, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklar kullanırlar; bu sıcaklıklarda, kuantum etkileri makro düzeyde görünmeye başlar. Örneğin, yakın zamanda tanıtılan ve 433 kübit rekor içeren IBM kuantum işlemcileri tarafından kullanılan bu teknolojidir.
Cooper çifti ve transmon
Bir süper iletkende, çoğunluk yük taşıyıcılarıCooper çiftleridir. Bu, bir fonon aracılığıyla etkileşen iki elektronun bağlı halidir. Spini sıfırdır ve yükü bir elektronun iki katına eşittir. Kuantum hesaplama için kullanılan, bir bütün olarak hareket eden bu parçacıklardır.
En basit şarj kübiti veya bloğuCooper çiftleri, durumu adada fazla Cooper çiftinin varlığını veya yokluğunu belirleyen bir elementtir. Böyle bir bileşen, Josephson bağlantısıyla süper iletken bir rezervuara bağlanan küçük bir süper iletken adadan oluşur. Bu bağlantı noktasında kritik akım bastırılır ve iki süper iletken arasındaki ince yalıtkan veya süper iletken olmayan bir katmandan bir tünel akımı akar.
Qubit'in durumu sayıya bağlıdırBağlantı boyunca tünel açan Cooper çiftleri. Tünelleme etkisi, kübit görevi gören kuantum anharmonik osilatörleri tasarlamak için kullanılır.
Bir şarj kübit devresinin şematik diyagramı. Ada, kapı kondansatörü ile bağlantı kapasitansı arasındaki süper iletken bir elektrot tarafından oluşturulur. Resim: ETH
Şarj kübitleri kullanılarak yapılırMikroelektronikte kullanılanlara benzer teknolojiler. Cihazlar tipik olarak elektron ışını litografisi ve ince metal film buharlaştırması kullanılarak silikon veya safir levhalar üzerinde oluşturulur.
Bu durumda, Josephson kavşakları ile oluşturulur.gölge buharlaştırma kullanarak. Bu, ana metalin bir elektron ışını direncinde litografik olarak tanımlanmış bir maske aracılığıyla dönüşümlü olarak iki açıda buharlaştığı bir işlemdir. Bu, aralarında ince bir yalıtkan tabakasının biriktirildiği, üst üste binen iki süper iletken metal tabakasının oluşmasıyla sonuçlanır.
Her ne kadar bu tür kübitleri yapmak oldukça kolay olsa daKlasik bilgisayarlarda kullanılan olgun teknolojiyi kullanmanın dezavantajları arasında dış gürültünün etkisi altında hızlı uyumsuzluk (dolaşıklığın bozulması) yer alır. Kuantum bilgisayarların yararlı hesaplamalar yapabilmesi için içerdikleri bilgilerin %100'e yakın doğru olması gerekir. Kübitlerin bulunduğu maddi ortamın kusurundan kaynaklanan şarj gürültüsü, bilginin doğruluğunu olumsuz yönde etkiler.
Dört aktarımdan oluşan bir IBM aygıtı. Resim: Jay M. Gambetta ve arkadaşları, Quantum Information
Bu tür kübitlerin "ömrünü" artırmak için,2007'de Yale Üniversitesi'nden araştırmacılar sisteme son şeklini verdi ve transmon'u yarattı. Bu, Josephson kavşaklarının ek olarak büyük bir kapasitif kapasitörle şöntlendiği bir Cooper çiftleri bloğudur. Kapasitif gürültüye duyarlılığın azalması, tutarlılık süresinin bir Cooper çifti bloğu için 1-2 ns'den bir transmon için neredeyse 100 ns'ye yükselmesine neden oldu.
Unimon yeni bir süper iletken kübittir
Kuantum işlemcideki bir unimon'un sanatsal çizimi. Resim: Alexander Kakinen, Aalto Üniversitesi
Gelişmede önemli ilerlemelere rağmenKuantum hesaplama, kübit tasarımları ve şu anda kullanımda olan yöntemler, yaygın pratik kullanım için yeterince yüksek performans sağlayamıyor. Uygulanan hesaplamaların karmaşıklığı temel olarak bir ve iki kübitli kuantum elemanlarındaki hatalarla sınırlıdır.
Araştırmacılar, bu sorunu çözmek içinyeni bir tür süper iletken kübit geliştirdi. Artırılmış uyumsuzluğu (sistem enerjisinin harmonik "dalgalanmalardan" sapması), DC gürültüsüne karşı tam duyarsızlık, manyetik gürültüye karşı azaltılmış duyarlılığı ve basit bir yapıyı birleştirir.
Cihaz bir Josephson'dan oluşurdoğrusal bir indüktör tarafından şöntlenen bir bağlantı ve endüktif enerjinin esas olarak Josephson enerjisi tarafından dengelendiği bir modda çalışan bir kapasitör. Araştırmacılar, bu özelliğin, düşük frekanslı şarj gürültüsüne karşı tam bağışıklık ve akış gürültüsünden kısmi koruma ile yüksek düzeyde uyumsuzluğa yol açtığını belirtiyor.
Unimon'un deneysel gösterimi için, bilim adamlarıher biri üç unimon kübitten oluşan çipler tasarladı ve üretti. Süper iletken kabloların alüminyumdan yapıldığı Josephson kontakları dışında, süper iletken malzeme olarak niyobyum kullandılar.
Ayrıldı:Okuma boşlukları (kırmızı), sürücü hatları (yeşil) ve prob bağlantı hattı (sarı) ile birlikte üç unimon (mavi) içeren bir silikon çipin sahte renkli mikroskobik görüntüsü. Sağda: Unimonları ölçmek için kullanılan basitleştirilmiş bir deney düzeneği. Resim: Eric Hyyppä ve diğerleri, Nature Communications
Bilim adamları cihazlarıyla başardıüç farklı unimon kübit üzerindeki 13 ns tek kübit kapıları için doğruluk %99,8'den %99,9'a. Araştırmacılar, transmonlardan daha yüksek uyumsuzluk veya doğrusal olmama nedeniyle, unimonların üzerinde daha hızlı çalışılabileceğini ve işlem başına daha az hataya neden olduğunu belirtiyorlar.
Unimonlar çok basittir ancak birçok avantajı vardır.transmonların önünde. Şimdiye kadar yaratılan ilk unimon'un bu kadar iyi çalıştığı gerçeği, optimizasyon ve büyük atılımlar için çok fazla alan açıyor.
Mikko Mettonen, Aalto Üniversitesi'nde Kuantum Teknolojisi Profesörü
Araştırmacılar iyileştirmeler üzerinde çalışmaya devam edecekçok sayıda kübite dayalı pratik cihazlarda yararlı bir kuantum avantajı ve verimli hata düzeltme oluşturmak için %99,99 doğruluk hedefini aşmak için tasarım, malzemeler ve unimon geçit süreleri.
Daha fazla oku:
İnsanın kökeninin ana teorisi reddedildi: nereden geldik
İlk kanser ilacı denemesinin sonuçları yayınlandı
Şu anda Dünya'da 8 milyar insan yaşıyor: aşırı nüfus gezegeni tehdit ediyor mu?